1. Т еоретичні відомості

Звук із частотою, яка перевищує діапазон сприйняття людиною (зазвичай 20КГц), називається ультразвуком. Робота ультразвукових датчиків базується на взаємодії ультразвукових коливань із вимірюваним середовищем. До ультразвукових відносять механічні коливання, які відбуваються з частотою більше 20 КГц, тобто вище верхньої межі звукових коливань, що сприймаються вухом людини. Поширення ультразвукових коливань в твердих, рідинних і газоподібних середовищах залежить від властивостей середовища. Наприклад, швидкість розповсюдження цих коливань для різних газів знаходиться в межах від 200 до 1300 м/с, для рідин – від 1100 до 2000 м/с, для твердих матеріалів – від 1500 до 8000 м/с. Дуже сильно виражена залежність швидкості коливань в газах від тиску. При використанні ультразвукового методу вимірювання відстаней досягається роздільна здатність до 0,2 мм.

Завдяки тому, що п'єзорезистивний перетворювач може служити випромінювачем, так і приймачем ультразвукових імпульсів, з'являється можливість створити ультразвукові датчики відстані з одним перетворювачем. Такий перетворювач спочатку випромінює короткий ультразвуковий імпульс. Одночасно з цим, в датчику запускається внутрішній таймер. Коли відбитий від об'єкта ультразвуковий імпульс повернеться назад в датчик, таймер зупиняється. Час, що минув між моментом випромінювання імпульсу і моментом, коли відбитий імпульс повернувся в датчик, служить основою для обчислення відстані до об'єкта. Повний контроль за процесом вимірювання проводиться за допомогою мікропроцесора, що забезпечує високу лінійність вимірювань. Найбільш важливими особливостями застосувань ультразвукових датчиків служить їх можливість вимірювати відстані до таких складних об'єктів як, наприклад, сипучі речовини, рідини, гранули. На додаток ультразвуковими датчиками можна вимірювати порівняно великі відстані, при цьому, зберігаючи їх невеликі розміри, що може бути істотно для ряду застосувань.

П ояснимо роботу ультразвукового датчика на прикладі ехолота – приладу для вимірювання глибини у моря (рис. 2.1). При подачі змінної напруги на п’єзоелемент 1 збуджуються ультразвукові коливання, що направлені вертикально вниз. Відбитий ультразвуковий імпульс сприймається п’єзоелементом 2. Мікропроцесор 3 вимірює час t між імпульсами, що посилається, і отриманим. Глибина моря пропорційна цьому часу і швидкості розповсюдження звуку V у воді

Рис. 1.1. Принцип дії ехолота

Шкала приладу градуюється безпосередньо в метрах. Аналогічно діє ультразвуковий локатор, що визначає відстань до перепони на шляху корабля в горизонтальному напрямку. Деякі тварини (наприклад, летючі миші і дельфіни) мають органи орієнтації, які діють саме за принципом ультразвукового локатора. За допомогою ультразвукових датчиків знаходять дефекти в металевих деталях: тріщини в виробах; порожнини в відливках і т.п. Ультразвукові датчики відіграють важливу роль в дефектоскопії, в неруйнівних методах контролю. Крім того, ультразвукові датчики використовуються в приладах для вимірювання витрачання, рівня, тиску.